玩转HTTPS

前言

最近在看《图解HTTP》这本书,今天来学习一下HTTPS。

正文

HTTP的缺点

HTTP 主要有这些不足:

  • 通信使用明文(不加密),内容可能会被窃听
  • 不验证通信方的身份,因此有可能遭遇伪装
  • 无法证明报文的完整性,所以有可能已遭篡改

这些问题不仅在 HTTP 上出现,其他未加密的协议中也会存在这类问题。

通信使用明文可能会被窃听

由于 HTTP 本身不具备加密的功能,所以也无法做到对通信整体(使用HTTP协议通信的请求和响应的内容)进行加密。即,HTTP 报文使用明文(指未经过加密的报文)方式发送

即使已经过加密处理的通信,也会被窥视到通信内容,这点和未加密的通信是相同的。只是说如果通信经过加密,就有可能让人 无法破解报文信息的含义,但加密处理后的报文信息本身还是会 被看到的。

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不验证通信方的身份就可能遭遇伪装

HTTP 协议中的请求和响应不会对通信方进行确认。也就是说存在“服 务器是否就是发送请求中 URI 真正指定的主机,返回的响应是否真的 返回到实际提出请求的客户端”等类似问题。

  • 任何人都可发起请求

在 HTTP 协议通信时,由于不存在确认通信方的处理步骤,任何 人都可以发起请求。另外,服务器只要接收到请求,不管对方是 谁都会返回一个响应(但也仅限于发送端的 IP 地址和端口号没 有被 Web 服务器设定限制访问的前提下)

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HTTP 协议的实现本身非常简单,不论是谁发送过来的请求都会返回响应,因此不确认通信方,会存在以下各种隐患。

  1. 无法确定请求发送至目标的 Web 服务器是否是按真实意图返回响应的那台服务器。有可能是已伪装的 Web 服务器。
  2. 无法确定响应返回到的客户端是否是按真实意图接收响应的那个客户端。有可能是已伪装的客户端。
  3. 无法确定正在通信的对方是否具备访问权限。因为某些 Web 服务器上保存着重要的信息,只想发给特定用户通信的权限。
  4. 无法判定请求是来自何方、出自谁手。
  5. 即使是无意义的请求也会照单全收。无法阻止海量请求下的 DoS 攻击(Denial of Service,拒绝服务攻击)。
  • 查明对手的证书

虽然使用 HTTP 协议无法确定通信方,但如果使用 SSL则可以。 SSL不仅提供加密处理,而且还使用了一种被称为证书的手段, 可用于确定方。 证书由值得信任的第三方机构颁发,用以证明服务器和客户端是实际存在的。另外,伪造证书从技术角度来说是异常困难的一件 事。所以只要能够确认通信方(服务器或客户端)持有的证书, 即可判断通信方的真实意图。

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通过使用证书,以证明通信方就是意料中的服务器。这对使用者个人来讲,也减少了个人信息泄露的危险性。

另外,客户端持有证书即可完成个人身份的确认,也可用于对 Web 网站的认证环节。

无法证明报文完整性,可能已遭篡改

所谓完整性是指信息的准确度。若无法证明其完整性,通常也就意味着无法判断信息是否准确。

  • 接收到的内容可能有误

由于 HTTP 协议无法证明通信的报文完整性,因此,在请求或响 应送出之后直到对方接收之前的这段时间内,即使请求或响应的内容遭到篡改,也没有办法获悉。 换句话说,没有任何办法确认,发出的请求/响应和接收到的请求/响应是前后相同的。

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像这样,请求或响应在传输途中,遭攻击者拦截并篡改内容的攻击称为中间人攻击(Man-in-the-Middle attack,MITM)

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虽然有使用 HTTP 协议确定报文完整性的方法,但事实上并不便捷、可靠。其中常用的是 MD5 和 SHA-1 等散列值校验的方法,以及用来确认文件的数字签名方法。为了有效防止这些弊端,有必要使用 HTTPS。SSL提供认证和加密处理及摘要功能。仅靠 HTTP 确保完整性是非常困难的,因此通过和其他协议组合使用来实现这个目标。

HTTP+加密+认证+完整性保护 = HTTPS

HTTP 加上加密处理和认证以及完整性保护后即是 HTTPS

对于 HTTP 来说,服务器也好,客户端也好,都是没有办法确认通信方的。因为很有可能并不是和原本预想的通信方在实际通信。 并且还需要考虑到接收到的报文在通信途中已经遭到篡改这一可能性。为了统一解决上述这些问题,需要在 HTTP 上再加入加密处理和认证等机制。我们把添加了加密及认证机制的 HTTP 称为 HTTPS(HTTP Secure)

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经常会在 Web 的登录页面和购物结算界面等使用 HTTPS 通信。使用 HTTPS 通信时,不再用 http://,而是改用 https://。另外,当浏览器访问 HTTPS 通信有效的 Web 网站时,浏览器的地址栏内会出现一个带锁的标记。对 HTTPS 的显示方式会因浏览器的不同而有所改变。

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HTTPS 是身披 SSL 外壳的 HTTP

HTTPS 并非是应用层的一种新协议。只是 HTTP 通信接口部分用 SSL(Secure Socket Layer)和 TLS(Transport Layer Security)协议代 替而已。

通常,HTTP 直接和 TCP 通信。当使用 SSL时,则演变成先和 SSL通 信,再由 SSL和 TCP 通信了。简言之,所谓 HTTPS,其实就是身披 SSL协议这层外壳的 HTTP。

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在采用 SSL后,HTTP 就拥有了 HTTPS 的加密、证书和完整性保护 这些功能。

SSL是独立于 HTTP 的协议,所以不光是 HTTP 协议,其他运行在应用层的 SMTP 和 Telnet 等协议均可配合 SSL 协议使用。可以说 SSL是当今世界上应用最为广泛的网络安全技术。

相互交换密钥的公开密钥加密技术

在对 SSL进行讲解之前,我们先来了解一下加密方法。

SSL采用一种 叫做公开密钥加密(Public-key cryptography)的加密处理方式。 近代的加密方法中加密算法是公开的,而密钥却是保密的。通过这种方式得以保持加密方法的安全性。 加密和解密都会用到密钥。没有密钥就无法对密码解密,反过来说, 任何人只要持有密钥就能解密了。如果密钥被攻击者获得,那加密也就失去了意义

  • 共享密钥加密的困境

加密和解密同用一个密钥的方式称为共享密钥加密(Common key crypto system),也被叫做对称密钥加密。

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以共享密钥方式加密时必须将密钥也发给对方。可究竟怎样才能安全地转交?在互联网上转发密钥时,如果通信被监听那么密钥 就可会落入攻击者之手,同时也就失去了加密的意义。另外还得设法安全地保管接收到的密钥。

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  • 使用两把密钥的公开密钥加密

公开密钥加密方式很好地解决了共享密钥加密的困难。 公开密钥加密使用一对非对称的密钥。一把叫做私有密钥 (private key),另一把叫做公开密钥(public key)。顾名思义,私有密钥不能让其他任何人知道,而公开密钥则可以随意发 布,任何人都可以获得。

使用公开密钥加密方式,发送密文的一方使用对方的公开密钥进行加密处理,对方收到被加密的信息后,再使用自己的私有密钥 进行解密。利用这种方式,不需要发送用来解密的私有密钥,也不必担心密钥被攻击者窃听而盗走。

另外,要想根据密文和公开密钥,恢复到信息原文是异常困难的,因为解密过程就是在对离散对数进行求值,这并非轻而易举就能办到。退一步讲,如果能对一个非常大的整数做到快速地因式分解,那么密码破解还是存在希望的。但就目前的技术来看是不太现实的。

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  • HTTPS 采用混合加密机制

HTTPS 采用共享密钥加密和公开密钥加密两者并用的混合加密机制。

若密钥能够实现安全交换,那么有可能会考虑仅使用公开 密钥加密来通信。但是公开密钥加密与共享密钥加密相比,其处理速度要慢。 所以应充分利用两者各自的优势,将多种方法组合起来用于通信。在交换密钥环节使用公开密钥加密方式,之后的建立通信交换报文阶段则使用共享密钥加密方式。

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证明公开密钥正确性的证书

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遗憾的是,公开密钥加密方式还是存在一些问题的。那就是无法证明公开密钥本身就是货真价实的公开密钥。比如,正准备和某台服务器建立公开密钥加密方式下的通信时,如何证明收到的公开密钥就是原本预想的那台服务器发行的公开密钥。或许在公开密钥传输途中,真正的公开密钥已经被攻击者替换掉了。

为了解决上述问题,可以使用由数字证书认证机构(CA,Certificate Authority)和其相关机关颁发的公开密钥证书。 数字证书认证机构处于客户端与服务器双方都可信赖的第三方机构的立场上。

我们来介绍一下数字证书认证机构的业务流程:

首先,服务器的运营人员向数字证书认证机构提出公开密钥的申请。数字证书认证机构在判明提出申请者的身份之后,会对已申请的公开密钥做数字签名,然后分配这个已签名的公开密钥,并将该公开密钥放入公钥证书后绑定在一起。 服务器会将这份由数字证书认证机构颁发的公钥证书发送给客户端,以进行公开密钥加密方式通信。公钥证书也可叫做数字证书或直接称为证书。

接到证书的客户端可使用数字证书认证机构的公开密钥,对那张证书上的数字签名进行验证,一旦验证通过,客户端便可明确两件事:
一,认证服务器的公开密钥的是真实有效的数字证书认证机构。
二,服务器的公开密钥是值得信赖的。

此处认证机关的公开密钥必须安全地转交给客户端。使用通信方式时,如何安全转交是一件很困难的事,因此,多数浏览器开发商发布版本时,会事先在内部植入常用认证机关的公开密钥。

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HTTPS 的安全通信机制

为了更好地理解 HTTPS,我们来观察一下 HTTPS 的通信步骤。

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步骤 1: 客户端通过发送 Client Hello 报文开始 SSL通信。报文中包 含客户端支持的 SSL的指定版本、加密组件(Cipher Suite)列表(所 使用的加密算法及密钥长度等)。

步骤 2: 服务器可进行 SSL通信时,会以 Server Hello 报文作为应答。和客户端一样,在报文中包含 SSL版本以及加密组件。服务器的 加密组件内容是从接收到的客户端加密组件内筛选出来的。

步骤 3: 之后服务器发送 Certificate 报文。报文中包含公开密钥证 书。

步骤 4: 最后服务器发送 Server Hello Done 报文通知客户端,最初阶 段的 SSL握手协商部分结束。

步骤 5: SSL第一次握手结束之后,客户端以 Client Key Exchange 报文作为回应。报文中包含通信加密中使用的一种被称为 Pre-master secret 的随机密码串。该报文已用步骤 3 中的公开密钥进行加密。

步骤 6: 接着客户端继续发送 Change Cipher Spec 报文。该报文会提示服务器,在此报文之后的通信会采用 Pre-master secret 密钥加密。

步骤 7: 客户端发送 Finished 报文。该报文包含连接至今全部报文的整体校验值。这次握手协商是否能够成功,要以服务器是否能够正确解密该报文作为判定标准。

步骤 8: 服务器同样发送 Change Cipher Spec 报文。

步骤 9: 服务器同样发送 Finished 报文。

步骤 10: 服务器和客户端的 Finished 报文交换完毕之后,SSL连接 就算建立完成。当然,通信会受到 SSL的保护。从此处开始进行应用层协议的通信,即发送 HTTP 请求。

步骤 11: 应用层协议通信,即发送 HTTP 响应。

步骤 12: 最后由客户端断开连接。断开连接时,发送 close_notify 报 文。上图做了一些省略,这步之后再发送 TCP FIN 报文来关闭与 TCP 的通信。 在以上流程中,应用层发送数据时会附加一种叫做 MAC(Message Authentication Code)的报文摘要。MAC 能够查知报文是否遭到篡改,从而保护报文的完整性。

下面是对整个流程的图解。图中说明了从仅使用服务器端的公开密钥 证书(服务器证书)建立 HTTPS 通信的整个过程。

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HTTPS 也存在一些问题,那就是当使用SSL时,它的处理速度会变慢

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SSL的慢分两种。一种是指通信慢。另一种是指由于大量消耗 CPU 及内存等资源,导致处理速度变慢。 和使用 HTTP 相比,网络负载可能会变慢 2 到 100 倍。除去和 TCP 连接、发送 HTTP 请求响应以外,还必须进行 SSL通信, 因此整体上处理通信量不可避免会增加。

另一点是 SSL必须进行加密处理。在服务器和客户端都需要进行加密和解密的运算处理。因此从结果上讲,比起 HTTP 会更多地 消耗服务器和客户端的硬件资源,导致负载增强。

针对速度变慢这一问题,并没有根本性的解决方案,我们会使用 SSL 加速器这种(专用服务器)硬件来改善该问题。该硬件为 SSL通信专用硬件,相对软件来讲,能够提高数倍 SSL的计算速度。仅在 SSL处理时发挥 SSL加速器的功效,以分担负载。

总结

今天有关HTTPS的知识就学习到这里。

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参考:《图解HTTP》

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